强降雨诱发平缓浅层堆积层滑坡成因机理研究——以南江县红层滑坡为例

摘要

大量滑坡的发生是由降雨引起。近年来发生在西南山区的滑坡灾害，多由强降雨诱发，像2004年洪灾诱发的宣汉特大滑坡、2007年达州“7.5”强降雨诱发的群发性滑坡、2011年南江县“9.16”特大暴雨诱发大面积群发性滑坡等。南江县2011年“9.16”引发大量堆积层滑坡，该类坡体厚多为3～5m，沿基覆界面滑动，滑床倾角为10～20°。普遍认为此类坡体发生滑坡的可能性很小，但强降雨却触发大规模群发性滑坡，该类滑坡有其独特的成因机理，因此，研究平缓浅层堆积层滑坡沿基覆界面滑动的成因机理具有重大意义。
　　本文以四川省南江县红层地区典型的沿基覆界面滑动的平缓浅层堆积层滑坡为原型，通过对典型滑坡现场调查研究，总结归纳了该类滑坡发育分布规律、变形破坏模式及运动方式。并在典型滑坡体上布置现场渗透试验、安装体积含水率、孔隙水压力及降雨量等监测仪器、降雨入渗过程的高密度电法现场测试及降雨入渗的数值模拟，探求坡体中雨水入渗规律;利用改进直剪仪和环剪仪对滑带土与滑床基岩进行基覆界面剪切试验，研究基覆界面的剪切力学特性;通过土工离心模型试验及室内模型试验研究了这类滑坡灾害的变形特征和成因机理;采用数值运算分析了该类滑坡稳定性。通过本文研究，取得了如下主要成果:
　　(1)查明了南江县红层地区平缓浅层堆积层滑坡发育规律及变形破坏模式。研究结果表明:南江县红层地区平缓浅层堆积层滑坡规模以小、中型为主，坡体厚3～5m居多，以Ⅱ型（滑坡一侧光石板，一侧山崖，前缘临空）和Ⅰ型（滑坡两侧没有冲沟或以小冲沟为界，前缘临空）临空面组合为主要边界条件。从地形地貌上看，堆积层滑坡发生的优势高程为500～1000m，集中分布在10～20°的斜坡上，所处的地貌单元在似单面山、桌状山和单面山的阳坡面上。堆积层滑坡主要发育在侏罗系和白垩系地层。其破坏模式是沿基覆界面滑动的滑移-拉裂。
　　(2)为研究南江县平缓浅层堆积层斜坡的降雨入渗规律，在典型滑坡体开展地下水现场监测、高密度电法等试验。试验结果表明:坡体不同部位处的渗透系数相差较大;地下水位响应与降雨过程基本保持同步的规律，但地下水位的响应稍落后于降雨过程;汛期坡体地下水位保持在基覆界面以上，汛期结束后，孔隙水压力迅速衰减，地下水位逐渐下降至基覆界面以下;通过分析降雨前后不同时刻堆积层含水率分布图发现，表层土体对降雨反应敏感，含水率波动性较大，水分的来源主要是降雨的垂直入渗;深层土体水分来源主要是垂直和水平向入渗。在强降雨作用下，首先在坡体前缘的基覆界面处土体饱和，形成暂态饱和渗流场，随着降雨的继续，饱和区域不断由坡体前缘沿着基覆界面向坡体的中后部推移，水位不断上升，孔隙水压力逐渐增大。
　　(3)为了查明红层地区堆积层滑坡为何主要沿3～5m深的基覆界面滑动的原因，进行了不同含水率的滑体、滑带土与滑床基岩界面的剪切试验。结果表明:滑体、滑带土与基岩界面的剪切强度均随含水量的增加而降低;在相同含水率（非饱和）条件下，滑带土与粗糙基岩的剪切强度最大，滑体土的剪切强度次之，滑带土与光滑基岩面的剪切强度最小;坡体厚度3～5m的堆积层滑坡的饱和滑带土剪切强度最大、饱和滑带土与粗糙基岩的剪切强度次之、饱和滑带土与光滑基岩面剪切强度最小，解释了红层地区堆积层滑坡沿3～5m深的基覆界面滑动的原因。
　　(4)对南江县红层地区平缓浅层沿基覆界面滑动的堆积层滑坡的形成过程进行了土工离心模型试验，分析研究了堆积层滑坡的变形破坏特征、过程和成因机理。试验结果表明:斜坡失稳受基覆界面附近的软弱层和强降雨控制，在强降雨作用下，水沿优势入渗通道进入基覆界面，引起边坡滑动。其破坏模式为滑移-拉裂。
　　(5)为研究降雨强度、坡体厚度、滑床坡度等因素对堆积层斜坡变形破坏的影响，进行了平缓浅层堆积层滑坡形成过程的系列物理模拟试验。试验结果表明:堆积层斜坡在其他条件相同的情况下，降雨强度越大，雨水易于向基覆基界面汇聚，更容易发生失稳破坏，滑动所需时间越短，累计降雨量也越小;在其他条件相同的情况下，对坡体厚度3～5m的堆积层斜坡而言，坡体厚度越大越不容易滑动，滑动所需时间越长，累计降雨量也越多，滑动时基覆界面处所需孔隙水压力越大;堆积层斜坡在其他条件相同的情况下，滑床坡度越缓，滑动所需时间越长，所需累计降雨量越多，滑动时基覆界面处所需孔隙水压力越大，反之，则相反。堆积层斜坡变形破坏模式是沿基覆界面滑动的滑移-拉裂。
　　(6)为查明红层地区堆积层滑坡为何主要发生在坡体厚度是3～5m斜坡的原因，对堆积层斜坡启动时临界孔隙水压力进行了研究。结果表明:坡体厚3～5m堆积层斜坡启动时孔隙水压力大于临界孔隙水压力，会发生失稳。坡体厚度大于5m的堆积层斜坡，雨水很难入渗至基覆界面处，基覆界面处孔隙水压力是0，远小于临界孔隙水压力，不会发生失稳。揭示了堆积层滑坡主要发生在坡体厚度是3～5m的原因。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状与发展动态

1．2．1 堆积层滑坡降雨入渗过程研究现状

1．2．2 基覆界面剪切研究现状

1．2．3 离心机模拟研究现状

1．2．4 堆积层滑坡启动的实验模拟研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 论文特色及创新点

第2章 研究区自然地理及地质环境条件

2．1 自然地理概况

2．1．1 地理位置与交通

2．1．2 气象水文

2．2 地质环境条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 水文地质条件

第3章 降雨诱发南江县红层地区堆积层滑坡发育规律与典型实例

3．1 概述

3．2 南江县红层地区堆积层滑坡发育分布规律

3．2．1 边界条件

3．2．2 滑坡规模

3．2．3 高程分布

3．2．4 滑床基岩地层

3．2．5 地貌特征

3．2．6 坡形特征

3．2．8 滑体厚度

3．3 堆积层滑坡演化过程及破坏模式

3．3．1 牵引式滑坡

3．3．2 推移式滑坡

3．4 典型滑坡实例

3．4．1 七岭村滑坡

3．4．2 印合村滑坡

3．4．3 王正塝滑坡

3．4．4 黎家湾滑坡

3．4．5 典型滑坡的成因分析

3．5 本章小结

第4章 南江县红层地区堆积层滑坡降雨入渗规律研究

4．1 概述

4．2 降雨入渗的现场渗透试验

4．3 坡体降雨入渗特性的现场观测

4．3．1 监测概况

4．3．2 监测数据分析

4．4 降雨入渗过程的高密度电阻率法现场测试

4．4．1 试验原理及方案

4．4．2 试验结果分析

4．5 平缓浅层堆积层滑坡降雨入渗的数值模拟

4．5．1 模型的建立

4．5．2 模型参数取值

4．5．3 边界条件

4．5．4 渗流场模拟工况

4．5．5 渗流场模拟结果分析

4．6 本章小结

第5章 平缓浅层堆积层滑坡基覆界面剪切试验

5．1 概述

5．2 滑体的剪切试验

5．3 基覆界面剪切试验研究

5．3．1 改进的直剪试验

5．3．2 改进的环剪试验

5．4 本章小结

第6章 降雨诱发平缓浅层堆积层滑坡土工离心模型试验研究

6．1 概述

6．2 平缓浅层堆积层滑坡土工离心模型试验设计

6．2．1 试验设备

6．2．2 模型设计

6．3 量测传感器及布设

6．4 模型制作及安装

6．4．1 模型制作

6．4．2 试验模型的吊装及试验仪器安装

6．4．3 试验加载过程

6．5 试验结果分析

6．5．1 土压力变化分析

6．5．2 孔隙水压力变化分析

6．5．3 斜坡位移变形特征分析

6．6 平缓浅层堆积层斜坡失稳机制分析

6．7 本章小结

第7章 降雨诱发平缓浅层堆积层滑坡室内物理模拟试验研究

7．1 概述

7．2 试验模型设计

7．2．1 试验相似系数

7．2．2 试验设备

7．2．3 模型尺寸及传感器布设

7．3 模型制作

7．3．1 试验材料

7．3．2 模型制作

7．4 工况设计

7．5 试验结果与数据分析

7．5．1 两种降雨强度条件下斜坡变形破坏试验分析

7．5．2 两种坡体厚度条件下斜坡变形破坏试验分析

7．5．3 三种滑床坡度条件下斜坡变形破坏试验分析

7．6 平缓浅层堆积层斜坡失稳机理分析

7．7 滑坡发生于坡体厚3～5m的原因分析

7．8 本章小结

第8章 降雨诱发平缓浅层堆积层滑坡变形响应机理及稳定性研究

8．1 概述

8．2 降雨诱发平缓浅层堆积层滑坡变形数值模拟分析

8．2．1 滑坡三维模型建立

8．2．2 天然工况下堆积层斜坡变形及稳定性分析

8．2．3 水位在基覆界面时变形及稳定性分析

8．2．4 水位在基覆界面以上时变形及稳定性分析

8．3 降雨诱发平缓浅层堆积层斜坡稳定性研究

8．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果